一種全速usb3.0接口隔離保護裝置製造方法

2023-07-15 10:44:31 2

一種全速usb3.0接口隔離保護裝置製造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種全速USB3.0接口隔離保護裝置，包括:主機部、從機部，所述主機部、從機部之間設有高速信號隔離模塊、低速差分數據與電源隔離模塊、電磁屏蔽模塊，所述ESD靜電防護模塊連接到USB3.埠上，ESD靜電防護模塊電連接於高速單向差分信號調製解調模塊和低速差分數據與電源隔離模塊，主機部、從機部的高速單向差分信號調製解調模塊之間通過高速信號隔離模塊連接，主機部、從機部的ESD靜電防護模塊之間通過低速差分數據與電源隔離模塊連接。本實用新型不僅能實現真正意義上的通用USB接口的電源與信號隔離，而且大幅度提高了隔離信號的傳輸速率，使之達到USB3.0 SuperSpeed水平，並且加入了防靜電保護，可以防止任一側的靜電幹擾，使之在實際應用中有更廣泛的實用價值。
【專利說明】
—種全速USB3.0接口隔離保護裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及電路隔離保護裝置領域，具體為一種全速USB3.0接口隔離保護裝置。

【背景技術】
[0002]隨著工業電子設備對數據交換速度的要求越來越高，越來越多的工業設備也開始使用USB接口，對通訊的可靠性要求也越來越高。但現有的USB通訊電路對抗運行環境幹擾的能力差，極易受到工業環境中的靜電與電磁波幹擾，而且由於工業環境的複雜性，主機端和設備端接口電平可能不同，連接後可能使兩側的設備都無法正常工作，並且任一側的幹擾會沿著USB接口傳遞到主機/設備端，容易對整個系統造成嚴重損壞。
[0003]目前在國內外廣泛使用的電源與信號隔離保護裝置主要分為三種:光電隔離式，變壓器隔離式，電容隔離式。
[0004]如中國專利200510043916.6，提供一種光電隔離式串口信號隔離裝置，這種裝置使用光耦隔離器來傳輸信號，雖然起到了隔離作用，但是由於光電材料性質限制，傳輸速度很慢，只能用於串口類低速信號的傳輸，無法實現高速信號的隔離傳輸，並且無法實現電源隔離。
[0005]如中國專利201320715627.6，提供一種RS232接口的電容隔離式信號隔離裝置，這種裝置的電容隔離相比光電隔離，雖然簡化了電路設計，降低了成本，但傳輸速度慢，只能使用RS232低速信號進行傳輸，通信效率仍然很低，仍無法隔離傳輸高速信號。並且相比較其他方法而言，隔離電壓受電容最大耐壓影響，會比較低。而且仍無法隔離電源。
[0006]如中國專利200720305047.4，提供一種使用變壓器隔離的USB-TTL信號隔離裝置，這種裝置使用了變壓器隔離，一定程度上提高了傳輸速度，並且可以隔離電源，但是因為裝置設計問題，仍無法達到USB總線的速度標準，本質上仍是串口信號。目前，國外有幾家半導體公司對於USB2.0信號的隔離提供了解決方案，但是售價高昂，方案設計複雜，極難推廣到實際應用。而且，隨著USB3.0標準的提出，在USB2.0標準上又增加了 4根高速單向差分信號線，並且對隔離信號的傳輸速率提出了更高要求，使以上公司的解決方案對USB3.0全部失效。
[0007]目前國內外廣泛使用的ESD靜電保護裝置，均含有較大的二極體PN結寄生電容，無法適應高速信號的傳輸需求，即使是專為USB接口設計的ESD靜電保護裝置，也不可避免的會對設備的傳輸速度造成影響，而且這種分立器件的解決方案由於體積大，存在額外的PCB布線寄生電容，設計布線困難，已經不再可靠。


【發明內容】

[0008]本發明所解決的技術問題在於提供一種全速USB3.0接口隔離保護裝置，不僅能實現真正意義上的通用USB接口的電源與信號隔離，而且大幅度提高了隔離信號的傳輸速率，使之達到USB3.0SuperSpeed水平，並且加入了防靜電保護，可以防止任一側的靜電幹擾，使之在實際應用中有更廣泛的實用價值。
[0009]本發明所解決的技術問題採用以下技術方案來實現:一種全速USB3.0接口隔離保護裝置，包括:主機部、從機部，所述主機部、從機部之間設有高速信號隔離模塊、低速差分數據與電源隔離模塊、電磁屏蔽模塊，所述主機部、從機部內包括高速單向差分信號調製解調模塊、ESD靜電防護模塊、DC/DC穩壓模塊，所述ESD靜電防護模塊連接到USB3.埠上，ESD靜電防護模塊電連接於高速單向差分信號調製解調模塊和低速差分數據與電源隔離模塊，主機部、從機部的高速單向差分信號調製解調模塊之間通過高速信號隔離模塊連接，主機部、從機部的ESD靜電防護模塊之間通過低速差分數據與電源隔離模塊連接，低速差分數據與電源隔離模塊上連接有DC/DC穩壓模塊，DC/DC穩壓模塊設置在從機部，DC/DC穩壓模塊連接於從機部的ESD靜電防護模塊，所述主機部、從機部外側設有電磁屏蔽模塊。
[0010]所述高速單向差分信號調製解調模塊通過高頻全差分運算放大器，實現了 USB3.0接口中兩對全差分信號針對傳輸線變壓器的調製解調，並且增強了信號的驅動能力，使高速信號可以驅動高速信號隔離模塊中的傳輸線變壓器，或放大經傳輸線變壓器傳輸過來的信號。
[0011]所述的高速單向差分信號隔離模塊，通過兩個高頻傳輸線變壓器的磁耦合，實現了 USB3.0接口中兩對高速單向差分數據線在主機和從機之間的高速信號隔離傳輸。
[0012]所述的低速差分數據與電源隔離模塊使用變壓器磁耦合實現了 USB3.0接口中一對低速雙向差分信號的隔離傳輸，並且使用變壓器磁隔離實現了 USB接口的電源隔離轉換，並為從機側高速單向差分信號隔離模塊提供工作電源。
[0013]所述的ESD靜電防護模塊在從機側與數據線和電源線連接，通過高速高性能TVS陣列連接USB3.0的6根高速信號線和4根電源線，對線路電平進行鉗位保護，防止靜電放電對USB3.0設備工作帶來的影響，同時確保設備不因ESD保護而導致工作性能下降。
[0014]所述的DC/DC穩壓模塊可以有效的吸收電壓尖峰，防止工業設備電壓波動對設備工作帶來的影響，為設備工作提供穩定的工作電壓。
[0015]所述的電磁屏蔽模塊對上述模塊進行電磁信號屏蔽，防止以上模塊受到來自外界的幹擾，並且避免了工作時產生的電磁信號對其他設備造成幹擾。
[0016]與已公開技術相比，本發明存在以下優點:1、本發明使用超高速寬帶全差動運算放大器來驅動隔離變壓器，實現了對USB3.0高速單向差分數據信號的調製解調，消除了以往信號隔離中調製解調對速度的限制，解決了以往高速信號無法隔離的問題。
[0017]2、本發明使用含鐵矽鋁磁芯的傳輸線變壓器，來實現USB3.0高速差分信號傳輸的電氣隔離，實現了全速USB3.0信號的隔離保護。
[0018]3、本發明使用隔離型總線收發器來實現對USB3.0接口中低速雙向差分數據信號的隔離傳輸，並且可以自動切換至數據發送或接收狀態，防止在雙向差分信號線上的數據發送與接收相互影響。
[0019]4、本發明通過DC/DC電源隔離模塊實現了完整的高功率電源隔離，進一步提高了隔離性能。
[0020]5、本發明使用高性能TVS陣列對USB信號線提供ESD靜電洩放保護，有效避免了工作環境中靜電對設備的損壞。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發明的系統結構示意圖。
[0022]圖2為本發明的高速單向差分信號調製解調模塊電路圖。
[0023]圖3為本發明的高速信號隔離模塊電路圖。
[0024]圖4為本發明的低速差分數據與電源隔離模塊電路圖。
[0025]圖5為本發明的ESD靜電防護模塊電路圖。
[0026]圖6為本發明的DC/DC穩壓模塊電路圖。

【具體實施方式】
[0027]為了使本發明的技術手段、創作特徵、工作流程、使用方法達成目的與功效易於明白了解，下面將結合本發明實施例，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
[0028]如圖1所示，一種全速USB3.0接口隔離保護裝置，包括:主機部、從機部，所述主機部、從機部之間設有高速信號隔離模塊、低速差分數據與電源隔離模塊、電磁屏蔽模塊，所述主機部、從機部內包括高速單向差分信號調製解調模塊、ESD靜電防護模塊、DC/DC穩壓模塊，所述ESD靜電防護模塊連接到USB3.埠上，ESD靜電防護模塊電連接於高速單向差分信號調製解調模塊和低速差分數據與電源隔離模塊，主機部、從機部的高速單向差分信號調製解調模塊之間通過高速信號隔離模塊連接，主機部、從機部的ESD靜電防護模塊之間通過低速差分數據與電源隔離模塊連接，低速差分數據與電源隔離模塊上連接有DC/DC穩壓模塊，DC/DC穩壓模塊設置在從機部，DC/DC穩壓模塊連接於從機部的ESD靜電防護模塊，所述主機部、從機部外側設有電磁屏蔽模塊。
[0029]所述高速單向差分信號調製解調模塊通過高頻全差分運算放大器，實現了 USB3.0接口中兩對全差分信號針對傳輸線變壓器的調製解調，並且增強了信號的驅動能力，使高速信號可以驅動高速信號隔離模塊中的傳輸線變壓器，或放大經傳輸線變壓器傳輸過來的信號。
[0030]所述的高速單向差分信號隔離模塊，通過兩個高頻傳輸線變壓器的磁耦合，實現了 USB3.0接口中兩對高速單向差分數據線在主機和從機之間的高速信號隔離傳輸。
[0031]所述的低速差分數據與電源隔離模塊使用變壓器磁耦合實現了 USB3.0接口中一對低速雙向差分信號的隔離傳輸，並且使用變壓器磁隔離實現了 USB接口的電源隔離轉換，並為從機側高速單向差分信號隔離模塊提供工作電源。
[0032]所述的ESD靜電防護模塊在從機側與數據線和電源線連接，通過高速高性能TVS陣列連接USB3.0的6根高速信號線和4根電源線，對線路電平進行鉗位保護，防止靜電放電對USB3.0設備工作帶來的影響，同時確保設備不因ESD保護而導致工作性能下降。
[0033]所述的DC/DC穩壓模塊可以有效的吸收電壓尖峰，防止工業設備電壓波動對設備工作帶來的影響，為設備工作提供穩定的工作電壓。
[0034]所述的電磁屏蔽模塊對上述模塊進行電磁信號屏蔽，防止以上模塊受到來自外界的幹擾，並且避免了工作時產生的電磁信號對其他設備造成幹擾。
[0035]優選地，所述高速單向差分信號調製解調模塊，包括Linear公司的LTC6409超高速寬帶全差動運算放大器，其增益帶寬積達10GHz，並且輸入和輸出均為全差分結構，可以滿足全速USB3.0接口中單向差分數據通道5Gbps的高速差分數據傳輸要求，通過對差分信號放大輸出，可為信號變壓器提供高速數據流。
[0036]優選地，所述高速單向差分信號隔離模塊，使用兩個傳輸線變壓器的高頻磁耦合特性，來實現兩對高速差分信號傳輸的電氣隔離。其中，傳輸線變壓器的磁性材料採用美磁公司的KM77050鐵矽鋁磁環，利用其高頻損耗小，磁導率高的特性，來滿足USB3.0高速差分信號5Gbps的傳輸速率要求。變壓器繞線採用耐壓3kv的厚漆漆包線雙線並行繞制，進一步減小了聞頻損耗，提聞了隔尚性能。
[0037]優選地，所述低速差分數據與電源隔離模塊使用Linear公司的LTM2884晶片，內部使用變壓器進行數位訊號與電源的傳輸，對於USB3.0接口中的兩根低速雙向差分數據線進行隔離信號傳輸，並且會根據數據傳輸情況自動切換至數據發送或接收狀態，防止在同一對差分信號線上的數據發送與接收相互影響；晶片內置的隔離電源對於4.5V?5.5V的輸入可產生一個5.0V的隔離輸出，並且可以提供2.5kVrms內的隔離電壓保護。
[0038]優選地，所述DC/DC穩壓模塊使用Linear公司的LTC3115四開關同步降壓-升壓型DC/DC轉換器，在2.7V至40V電壓範圍內提供5V 2A輸出，運行時靜態電流僅30 μ Α,負載調整率僅為0.1%，顯著解決了由於DC/DC電源隔離所帶來的電源紋波問題，並且可以對高達40V的電壓波動提供保護。
[0039]優選地，所述ESD靜電防護模塊使用Littelfuse公司的SP3003-02UTG靜電保護TVS 二極體陣列，為2行差分數據通道提供±12kV靜電保護，結合了低鉗位電壓和低電容，在提供保護的同時最大限度的減少對正常傳輸的影響。
[0040]本發明的工作原理為:裝置內的電磁屏蔽模塊與ESD靜電防護模塊均為被動模塊，無論上電與否，均可為本設備提供電磁屏蔽與靜電保護。本裝置接入主機側USB接口後，系統上電，低速差分數據與電源隔離模塊中的電源部分和DC/DC穩壓模塊首先開始工作，為從機側USB接口，低速差分數據與電源隔離模塊中的數據傳輸部分，以及從機側信號隔離調製解調模塊提供穩定的隔離電源，在上述信號隔離收發模塊上電後，就開始對USB3.0接口傳輸的數據信號進行隔離傳輸，其中的2對高速單向差分信號經過高速單向差分信號調製解調模塊進行差分放大，並通過傳輸線變壓器進行隔離傳輸，其中的I對低速雙向差分信號通過低速差分數據與電源隔離模塊內置的隔離差分信號收發器以及信號變壓器進行傳輸，正常工作情況下，USB信號的傳輸延時在Ins內。
[0041]以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特徵及本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本發明的要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種全速USB3.0接口隔離保護裝置，包括:主機部、從機部，其特徵在於:所述主機部、從機部之間設有高速信號隔離模塊、低速差分數據與電源隔離模塊、電磁屏蔽模塊，所述主機部、從機部內包括高速單向差分信號調製解調模塊、ESD靜電防護模塊、DC/DC穩壓模塊，所述ESD靜電防護模塊連接到USB3.埠上，ESD靜電防護模塊電連接於高速單向差分信號調製解調模塊和低速差分數據與電源隔離模塊，主機部、從機部的高速單向差分信號調製解調模塊之間通過高速信號隔離模塊連接，主機部、從機部的ESD靜電防護模塊之間通過低速差分數據與電源隔離模塊連接，低速差分數據與電源隔離模塊上連接有DC/DC穩壓模塊，DC/DC穩壓模塊設置在從機部，DC/DC穩壓模塊連接於從機部的ESD靜電防護模塊，所述主機部、從機部外側設有電磁屏蔽模塊。
2.根據權利要求1所述的一種全速USB3.0接口隔離保護裝置，其特徵在於:所述高速單向差分信號調製解調模塊通過高頻全差分運算放大器，將USB3.0接口中兩對全差分信號針對傳輸線變壓器的調製解調，並且增強了信號的驅動能力，使高速信號驅動高速信號隔離模塊中的傳輸線變壓器，或放大經傳輸線變壓器傳輸過來的信號。
3.根據權利要求1所述的一種全速USB3.0接口隔離保護裝置，其特徵在於:所述的高速單向差分信號隔離模塊，通過兩個高頻傳輸線變壓器的磁耦合，將USB3.0接口中兩對高速單向差分數據線在主機和從機之間的高速信號隔離傳輸。
4.根據權利要求1所述的一種全速USB3.0接口隔離保護裝置，其特徵在於:所述的低速差分數據與電源隔離模塊使用變壓器磁耦合將USB3.0接口中一對低速雙向差分信號的隔離傳輸，並且使用變壓器磁隔離實現了 USB接口的電源隔離轉換，並為從機側高速單向差分信號隔離模塊提供工作電源。
5.根據權利要求1所述的一種全速USB3.0接口隔離保護裝置，其特徵在於:所述的ESD靜電防護模塊在從機側與數據線和電源線連接，通過TVS陣列連接USB3.0的6根高速信號線和4根電源線，對線路電平進行鉗位保護，防止靜電放電對USB3.0設備工作帶來的影響，同時確保設備不因ESD保護而導致工作性能下降。
6.根據權利要求1所述的一種全速USB3.0接口隔離保護裝置，其特徵在於:所述的DC/DC穩壓模塊吸收電壓尖峰，防止工業設備電壓波動對設備工作帶來的影響，為設備工作提供穩定的工作電壓。
7.根據權利要求1所述的一種全速USB3.0接口隔離保護裝置，其特徵在於:所述的電磁屏蔽模塊對主機部、從機部進行電磁信號屏蔽，防止主機部、從機部受到來自外界的幹擾，並且避免了工作時產生的電磁信號對其他設備造成幹擾。
【文檔編號】G06F13/40GK204166525SQ201420618156
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】王冠凌, 武峰, 董子漢, 陳強, 吳玉珏, 江柳 申請人:安徽工程大學